エナジーハーベスティングとは｜IoT中級の要点

エナジーハーベスティングとは、照明や太陽の光、機械の振動、配管と空気の温度差、周りの電波など、ふだん捨てられている小さなエネルギーを集めて電力に変え、IoTデバイスを動かす技術です。日本語では環境発電とも呼ばれます。

IoTデバイスを何千、何万台と設置すると、電池の交換や配線の工事が大きな負担になります。エナジーハーベスティングは、この電池交換や電源配線の手間を減らすための技術です。

システムは、おおむね次の部品で組み立てます。

1. 1発電素子：太陽電池、圧電素子、熱電素子などで、環境のエネルギーを電気に変える。
2. 2電源管理の回路：小さく不安定な電力を、昇圧したり充電を制御したりして使える形にする。
3. 3蓄電：キャパシタ、電気二重層キャパシタ（スーパーキャパシタ）、二次電池にためる。
4. 4負荷：マイコン、センサ、無線通信。ためた電力で短い時間だけ動く。

具体例として、EnOcean は、ボタンを押す動きを小さな電気機械式の変換器で電力に変える電池不要のスイッチや、200ルクス以下の光でも動くとする太陽電池付きの無線センサ、温度差で発電する変換器を提供しています（2026年9月27日確認）。

振動や熱による発電の素子は、センサの素子と原理が共通です。圧電効果やゼーベック効果の基本はセンサの原理とはで整理しています。

環境発電で得られる電力は小さいので、デバイスの平均の消費電力を、発電できる電力より小さくする必要があります。そこで、ふだんはマイコンも無線も眠らせ、決まった間隔でだけ起きて測定と送信をする間欠動作にします。

平均の消費電力は、次のように計算できます。以下は当サイトの説明用の仮の数値です。

• 送信するときの消費電力100mWで、1回の送信に1秒かかる。
• 眠っている間の消費電力は10μW（0.01mW）。
• 10分（600秒）に1回送る場合：(100mW×1秒＋0.01mW×599秒)÷600秒＝約0.18mW（約180μW）。
• 20分（1,200秒）に1回送る場合：(100mW×1秒＋0.01mW×1,199秒)÷1,200秒＝約0.093mW（約93μW）。

もし発電素子が平均100μWしか出せないなら、10分ごとの送信では足りず、20分ごとなら収まります。このように送信の回数と1回の送信にかかる時間が、平均の消費電力を大きく左右します。

LPWA（Low Power Wide Area）は、少量のデータを低い消費電力で遠くまで送ることを狙った通信方式の総称で、この「たまに少しだけ送る」使い方と相性がよい方式です。方式ごとの違いはLPWAの比較やLoRaWANとはで扱っています。

発電できない時間（夜間や設備の停止中）に備えて、どれだけためておくかも設計の要点です。二次電池を使う場合の安全の注意はリチウムイオン電池の安全とはへ。

IoTシステム技術検定 中級の公式ページに示された出題カテゴリのうち、「センサ／アクチュエータ技術と通信方式（デバイス、ネットワーク、LPWA、プロトコル）」25〜30% に当たります（2026年9月27日確認）。この中でエナジーハーベスティングが何問出るかは公表されていません。

公式テキスト『IoT技術テキスト 第4版』では、第5章「IoTデバイス」に当たる範囲です。章とカテゴリの対応は当サイトの推定で、使っているのは目次の章名だけです。

4択の形としては、当サイトの作問の観点で次のようなものが考えられます（出題の傾向や頻度を示すものではありません）。

• エネルギー源と変換する素子の組合せを選ぶ
• エナジーハーベスティングの特徴として適切でないものを選ぶ
• LPWAや間欠動作と組み合わせる理由を選ぶ
• 発電量と消費電力の関係についての記述を判断する

試験の形式はIoTシステム技術検定 中級とはへ。合格基準は公式に非公開です。

エネルギー源と、電力に変える方法の組合せとして、最も適切でないものはどれか。

1. 1オフィスの照明の光 ― 太陽電池で電力に変える
2. 2動いているポンプの振動 ― 圧電素子で電力に変える
3. 3高温の配管と外気の温度差 ― 熱電素子で電力に変える
4. 4室温が一定で暗い倉庫の空気 ― 熱電素子で電力に変える

正解：4。熱電素子はゼーベック効果で温度差から起電力を得るので、室温が一定で温度差のない場所では発電できません。

1 の屋内光と太陽電池、2 の振動と圧電素子、3 の温度差と熱電素子は、いずれも正しい組合せです。

あるセンサ端末は、送信時に60mWを0.5秒使い、それ以外の時間は5μWで眠っている。300秒に1回送信するとき、平均の消費電力に最も近いものはどれか。

1. 1約5μW
2. 2約105μW
3. 3約205μW
4. 4約60mW

正解：2。1周期の電力量は、送信 60mW×0.5秒＝30mJ と、休止 0.005mW×299.5秒＝約1.5mJ の合計で約31.5mJです。これを300秒で割ると約0.105mW＝約105μWになります。

1 は眠っている間の電力だけを見た値です。3 は送信時間を1秒として計算した値です。4 は送信している瞬間の電力をそのまま平均とした値です。

エナジーハーベスティングで動くセンサ端末に、LPWAを組み合わせる理由として最も適切なものはどれか。

1. 1少量のデータを間欠的に送れ、平均の消費電力を小さく抑えやすいから
2. 2大容量の映像を送り続けても、発電した電力の範囲に必ず収まるから
3. 3どの方式も免許の要らない周波数だけを使い、どこでも自由に使えるから
4. 4発電素子が要らなくなり、通信の電波だけで十分な電力を得られるから

正解：1。LPWAは少量のデータを低い消費電力で送ることを狙った方式なので、間欠動作と組み合わせて平均の消費電力を発電量の範囲に収めやすくなります。

2 は大容量の映像の連続送信で、LPWAの用途にも環境発電の電力にも合いません。3 はLPWAには、携帯電話事業者が免許を受けた周波数で提供する方式（NB-IoT、LTE-M）もあるため誤りです。4 は周りの電波から得られる電力はごく小さく、発電素子が不要になるわけではありません。

迷った問題は「そのエネルギー源は何の差や変化から電気を作るか」「平均の消費電力は発電量より小さいか」の2点で見直してください。

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